扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度表征了旋轉(zhuǎn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)抵抗外部動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的能力,是衡量諸如現(xiàn)代飛行器舵機(jī)、機(jī)器人關(guān)節(jié)、汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)、船舶推進(jìn)系統(tǒng)等核心部件動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)。對(duì)這些核心部件的動(dòng)剛度特性進(jìn)行準(zhǔn)確有效測(cè)試可為整個(gè)裝備性能的改進(jìn)和提升提供量化依據(jù)。激振器是扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,為了有效克服傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的間隙、摩擦等因素對(duì)扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試的影響,激振激勵(lì)需要達(dá)到度級(jí)角位移、百赫茲以上帶寬和高動(dòng)態(tài)力矩輸出。傳統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)的激振方案難以滿足這一要求,而電動(dòng)式激振器因其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、加載精度高、控制性能好、易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì),成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)電動(dòng)激振器的設(shè)計(jì)面臨的高加載帶寬與高動(dòng)態(tài)力矩輸出間的突出矛盾,從新型電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁場(chǎng)快速建模與優(yōu)化、實(shí)時(shí)同步協(xié)調(diào)控制策略、測(cè)試系統(tǒng)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面展開研究,力求取得面向扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試的高性能電動(dòng)式激振器研制的關(guān)鍵理論與技術(shù)突破�；谂まD(zhuǎn)動(dòng)剛度的掃頻測(cè)試原理,分析了扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試中電動(dòng)式激振器的工作特點(diǎn),提出了其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過對(duì)不同電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在低速、高加速、高負(fù)載加載條件下的動(dòng)態(tài)輸出性能分析,選取雙定子-單轉(zhuǎn)子盤式洛倫茲電機(jī)作為激振器基礎(chǔ)構(gòu)型;基于磁路增強(qiáng)和能量集中設(shè)計(jì)思路,提出了變極弧系數(shù)Halbach高效動(dòng)子永磁陣列聚磁結(jié)構(gòu),在降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同時(shí)增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩輸出能力,有效提高了激振器的能量密度;利用盤式電機(jī)軸向緊湊的特點(diǎn),提出多盤并聯(lián)分散動(dòng)力加載激振器新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在不增大單位軸向尺寸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的前提下實(shí)現(xiàn)扭矩疊加輸出,有效解決了高加載帶寬與高動(dòng)態(tài)力矩輸出的矛盾。針對(duì)傳統(tǒng)盤式電機(jī)沿中徑展開等效為直線電機(jī)的二維電磁建模方法的不足,考慮變極弧系數(shù)Halbach盤式永磁陣列結(jié)構(gòu)徑向特性,基于傅里葉級(jí)數(shù)法建立了激振器單元模塊準(zhǔn)3D電磁解析模型,并結(jié)合有限元計(jì)算對(duì)由漏磁、磁場(chǎng)畸變導(dǎo)致的端部效應(yīng)進(jìn)行了修正。利用準(zhǔn)3D電磁模型,以力矩密度尺寸方程最大值為目標(biāo),通過遺傳算法對(duì)激振器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并提出其溫升抑制策略。通過3D有限元仿真和靜磁場(chǎng)、靜力矩實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明變極弧系數(shù)Halbach結(jié)構(gòu)相對(duì)于固定極弧系數(shù)Halbach結(jié)構(gòu)在不改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的同時(shí)輸出力矩提升約10%,且工作區(qū)域磁場(chǎng)更加穩(wěn)定,線性度更好。針對(duì)激振器不同單元模塊間的特性差異,建立了分散動(dòng)力加載激振器數(shù)學(xué)模型,分析了各模塊間在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的誤差,提出基于主從控制結(jié)構(gòu)的多盤協(xié)同控制策略。在負(fù)載平衡的基礎(chǔ)上,建立了考慮傳動(dòng)環(huán)節(jié)剛度的扭轉(zhuǎn)加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型;采用微分負(fù)反饋結(jié)合串聯(lián)PID控制器,提高了加載系統(tǒng)的控制精度;通過干擾前饋補(bǔ)償力矩加載控制和微分先行模糊PID位置加載控制,進(jìn)一步提高了加載系統(tǒng)對(duì)力矩及位置干擾的抵抗能力。構(gòu)建了基于RTX的扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試實(shí)時(shí)環(huán)境,保證了激振器加載信號(hào)輸出和傳感器信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性�；谒岢龅募ふ衿髟O(shè)計(jì)方法和控制策略,搭建了具有精確重復(fù)定位功能的電動(dòng)式扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試系統(tǒng)原理樣機(jī)。通過整機(jī)系統(tǒng)跟隨響應(yīng)能力測(cè)試和對(duì)某機(jī)電系統(tǒng)傳動(dòng)單元的扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試對(duì)所提出的高性能激振器方案進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在±1°角位移、120Hz帶寬的掃頻加載條件下,可輸出幅值為40Nm的動(dòng)態(tài)扭矩,跟隨誤差小于10%。本文所研制的動(dòng)剛度測(cè)試系統(tǒng)已交付某研究院。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH89
【部分圖文】：

圖 1-2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致的的系統(tǒng)顫振張仁嘉等對(duì)等對(duì)舵系統(tǒng)接觸剛度和傳動(dòng)間隙進(jìn)行分析，證明了以接觸剛度為主要因素，間隙為次要因素的非線性環(huán)節(jié)共同主導(dǎo)了舵系統(tǒng)整體的動(dòng)力學(xué)行為，影響了舵系統(tǒng)的動(dòng)剛度[30]，如圖 1-3 所示。(a) 考慮間隙和變形的接觸剛度模型 (b) 不同激勵(lì)力下系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)剛度特性圖 1-3 間隙和變形對(duì)系統(tǒng)動(dòng)剛度影響Zhang X T 等提出了舵系統(tǒng)的動(dòng)剛度的幅值和相位均會(huì)對(duì)導(dǎo)彈顫振造成影響的結(jié)論，提出在舵系統(tǒng)電流環(huán)中增加補(bǔ)償器提高舵系統(tǒng)動(dòng)剛度從而抑制顫振的方法，并驗(yàn)證[31]

(a) 考慮間隙和變形的接觸剛度模型 圖 1-3 間隙和變形Zhang X T 等提出了舵系統(tǒng)的動(dòng)剛度論，提出在舵系統(tǒng)電流環(huán)中增加補(bǔ)償器提高得到扭轉(zhuǎn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)剛度問題主要集中根據(jù)扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的定義，可以采用模態(tài)在動(dòng)力學(xué)測(cè)試中，根據(jù)激振器產(chǎn)生的激勵(lì)信頻激勵(lì)法和隨機(jī)激勵(lì)法三種。脈沖激勵(lì)法主勵(lì)法和隨機(jī)激勵(lì)法則通過激振器輸出掃頻正出點(diǎn)采集系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，進(jìn)而獲得系統(tǒng)的對(duì)扭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度特性及其影響因素的研究導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性真實(shí)動(dòng)剛度，激振器加載力矩需要切實(shí)的從

圖 1-4 中北大學(xué)扭桿式加載測(cè)試系統(tǒng) 圖 1-5 懸臂梁式加載測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖機(jī)械式加載測(cè)試方法沒有激勵(lì)源，所以也不會(huì)在測(cè)試環(huán)節(jié)額外引入的擾動(dòng)力/力因而測(cè)量精度較高，在被動(dòng)式加載測(cè)量中仍然還得到廣泛應(yīng)用。但是沒有激勵(lì)源也意著該方法無法實(shí)現(xiàn)規(guī)定頻段內(nèi)不同形式模擬力/力矩信號(hào)的主動(dòng)加載測(cè)試，且機(jī)械式構(gòu)安裝使用繁瑣、參數(shù)調(diào)整困難，因而其應(yīng)用范圍較窄，通用性受限。（2）電液式加載測(cè)試系統(tǒng)電液式加載測(cè)試是隨著電力電子、計(jì)算機(jī)仿真和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)的新類扭轉(zhuǎn)加載測(cè)試方法，主要采用電液伺服系統(tǒng)作為激勵(lì)源，類似原理的也有擺動(dòng)式葉片達(dá)或空氣泵等動(dòng)力形式。電液式扭轉(zhuǎn)加載系統(tǒng)輸出力/力矩大、加載頻帶寬，突破了機(jī)式加載方法的局限，因此迅速引起國內(nèi)外負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)研究者的興趣，在現(xiàn)有扭轉(zhuǎn)加測(cè)試方法中技術(shù)最為成熟且得到廣泛應(yīng)用[17]。20 世紀(jì) 70 年代，日本學(xué)者池谷光栄首先提出一種采用液壓伺服機(jī)構(gòu)的電液加載驗(yàn)臺(tái)[41]，通過兩個(gè)壓力傳感器來測(cè)量?jī)蓚�(gè)加載油缸壓力腔的差值實(shí)現(xiàn)力反饋閉環(huán)伺服載實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載測(cè)試。美國 CARCO 公司研制的四通道電液式扭轉(zhuǎn)加載測(cè)試系統(tǒng)如圖 1-6 所示，其通過
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2870306